Działanie i technologia czujników ultradźwiękowych
Działanie i technologia czujników ultradźwiękowych
Czujniki ultradźwiękowe są uniwersalnymi czujnikami i nadają się do prawie wszystkich zadań detekcji w środowisku przemysłowym. Wykrywane obiekty mogą być stałe, ciekłe, ziarniste lub sproszkowane. Niezawodnie wykrywają obiekty zmieniające kolor, przezroczyste lub o wysokim połysku. Wydajność czujników ultradźwiękowych ujawnia się szczególnie wyraźnie w trudnych warunkach, ponieważ są one wyjątkowo odporne na zabrudzenia, a kurz, dym, mgła itp. nie wpływają negatywnie na niezawodność procesu.
Zasady działania czujnika
Czujniki ultradźwiękowe opierają się na pomiarze czasu przelotu sygnału ultradźwiękowego. Emitują fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości, które są odbijane przez obiekt.
Liczenie przedmiotów wykonanych z materiałów trudnych do wykrycia (szklane słoiki, butelki PET)
Monitorowanie materiałów przezroczystych
Kontrola rozdarcia folii
Monitorowanie poziomu napełnienia w zbiornikach lub silosach
Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe
Działanie
W ultradźwiękowym przełączniku zbliżeniowym zastosowano specjalny przetwornik, który umożliwia selektywne nadawanie i odbieranie fal dźwiękowych. Przetwornik emituje określoną liczbę fal dźwiękowych, które są odbijane przez wykrywany obiekt. Po wyemitowaniu impulsów czujnik ultradźwiękowy przełączany jest w tryb odbioru. Czas do pojawienia się ewentualnego echa jest proporcjonalny do odległości obiektu od wyłącznika zbliżeniowego.
Wyjście cyfrowe
Wykrywanie obiektów jest możliwe tylko w zakresie pomiarowym. Odpowiednia odległość przełączania może być ustawiona przez użytkownika za pomocą potencjometru lub przyuczona za pomocą funkcji przyuczania. Jeśli w ustawionej odległości zostanie wykryty obiekt, zmienia się stan przełączenia czujnika. Wbudowana dioda LED informuje o wykryciu obiektu.
Detekcja obiektów
Fale dźwiękowe są dobrze odbijane przez różne powierzchnie. Wykrywane obiekty mogą być stałe, ciekłe, ziarniste lub sproszkowane. Przezroczyste obiekty i inne obiekty, które są trudne do wykrycia optycznie, są nieomylnie wykrywane za pomocą czujników ultradźwiękowych.
Obiekt wzorcowy
Wszystkie specyfikacje odnoszą się do kwadratowego, płaskiego obiektu o następujących długościach krawędzi:
15 x 15 mm przy SDE do 250 mm
30 x 30 mm przy SDE do 1000 mm
100 x 100 mm przy Sde > 1000 mm
Obiekt wzorcowy jest prostopadły do osi odniesienia czujnika.
Rozmiar
Aby zapewnione było niezawodne wykrywanie obiektów, sygnał odbity musi być wystarczająco duży. Siła odbitego sygnału zależy również od wielkości obiektu. Przy zdefiniowanym obiekcie standardowym można w pełni wykorzystać zasięg detekcji Sd.
Powierzchnia
pianka gumowa
bawełna/wełna/tkaniny/filc
Materiały bardzo porowate
Typowe pasma akustyczne
Podane na stronach danych pasma akustyczne pokazują efektywny zasięg detekcji czujników ultradźwiękowych. Pasma dźwiękowe ilustrują również wpływ pasm bocznych, które zwiększają kąt otwarcia czujników przy bliskich odległościach. Ze względu na pochłanianie dźwięku i dyfuzję w powietrzu, w większych odległościach pasma akustyczne stają się mniejsze.
Poszczególne pasma akustyczne są typowe dla całej rodziny czujników. Przykładowo, profil 100 - 1000 mm dotyczy wszystkich typów o tym zakresie detekcji, zarówno analogowych jak i cyfrowych.
Metoda pomiarowa
Do wyznaczenia typowych pasm akustycznych stosuje się kwadratowe przedmioty wzorcowe wykonane ze stali o następujących długościach krawędzi:
15 x 15 mm przy Sde 250 mm
30 x 30 mm przy Sde 1000 mm
100 x 100 mm przy Sde > 1000 mm
Obiekty są wprowadzane z boku do obszaru detekcji pod kątem prostym do osi odniesienia czujnika i w kilku różnych odległościach. W wyniku połączenia zmierzonych w procesie punktów przełączania otrzymuje się typowe pasma akustyczne. Kształt pasm akustycznych zmienia się w przypadku zastosowania okrągłych obiektów lub innych odchyleń geometrii.
Ultradźwiękowe czujniki odbiciowe
Działanie
Zasadniczo czujnik odbiciowy działa na tej samej zasadzie, co ultradźwiękowy przełącznik zbliżeniowy. W przeciwieństwie do przełączników zbliżeniowych wymagają one jednak reflektora, który odbija sygnał ultradźwiękowy. Jako reflektor może posłużyć dowolny nieruchomy obiekt odbijający dźwięk (np. taśma przenośnika, ściana, itp.). Gdy tylko jakiś obiekt przerwie odcinek między czujnikiem a reflektorem, czujnik nie mogąc wykryć reflektora, zmienia sygnał na wyjściu przełączającym.
Detekcja obiektów
Obiekt wzorcowy/reflektor
Wszystkie specyfikacje odnoszą się do kwadratowego, płaskiego obiektu o długości krawędzi 30 mm (Sde > 1000 mm: długość krawędzi 100 mm, Sde 2500 mm: długość krawędzi 300 mm), który jest prostopadły do osi odniesienia czujnika. Reflektor musi być wykonany z materiału dobrze odbijającego dźwięk o co najmniej takich samych wymiarach geometrycznych.
Aby zapewnione było niezawodne wykrywanie obiektów, sygnał odbity musi być wystarczająco duży. Siła odbitego sygnału zależy od wielkości obiektu. Przy zdefiniowanym obiekcie wzorcowym można w pełni wykorzystać odległość pomiarową Sd.
Zalety
Bezproblemowe wykrywanie do 100% materiałów dźwiękochłonnych
Niezawodne wykrywanie również obiektów odchylających dźwięk
Brak martwej strefy przed czujnikiem dla obiektów, które są od obiektu wzorcowego
Ultradźwiękowe czujniki barierowe
Działanie
W przypadku ultradźwiękowych czujników barierowych, nadajnik i odbiornik znajdują się w dwóch oddzielnych obudowach. Nadajnik nieustannie emituje fale dźwiękowe, które przemieszczają się w powietrzu do odbiornika. Jeśli jakiś obiekt zakłóca fale dźwiękowe, odbiornik przełącza się przez stopień wyjściowy.
Dzięki potencjometrowi wbudowanemu w odbiornik, użytkownik może precyzyjnie dostosować wymagane wzmocnienie sygnału wejściowego do wykrywanych obiektów. Stan początkowy i siła odbieranego sygnału są sygnalizowane przez diodę LED.
Kąt otwarcia
Kąt otwarcia określa zasięg przestrzenny stożkowego pasma akustycznego emitowanego przez nadajnik bariery ultradźwiękowej.
Dokładność powtarzalności
Ze względu na wąski kąt otwarcia pasma akustycznego nadajnika ultradźwiękowego, powtarzalność punktu przełączania S1 dla dwóch obiektów podążających za sobą w identycznych warunkach przekracza poziom 3 mm.
Histereza
Histereza określa różnicę pomiędzy punktem włączenia S1 i punktem wyłączenia S2. Jeśli obiekt pomiarowy przebije się przez stożek akustyczny, do wyraźnego zresetowania sygnału wyjściowego konieczny jest poziom sygnału wyższy o ok. 75%. Obiekty znajdujące się blisko siebie są w ten sposób jednoznacznie rozpoznawane.
Ultradźwiękowe czujniki odległości
Działanie
W przypadku czujników do pomiaru odległości, emitowany prąd lub napięcie są proporcjonalne do odległości wykrywanego obiektu. W oparciu o metodę echa impulsowego, zmierzona wartość odległości jest wyprowadzana jako wartość napięcia. W zależności od czujnika, nachylenie krzywej wyjściowej może być zmieniane za pomocą potencjometru, Teach-In lub qTeach i optymalnie dostosowane do rozdzielczości wymaganej dla danej aplikacji. W przypadku zastosowań z długimi przewodami zasilającymi lub dużą emisją zakłóceń zaleca się stosowanie ultradźwiękowego czujnika odległości z wyjściem prądowym.
